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本科课程论文 题 目 激光加工 学 院 工程技术学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2012 学 号 222012322220074 姓 名 田雷 指 导 教 师 邱兵 成 绩 2014年 12 月 20 日 目录1.前言12.激光加工的原理和特点22.1激光加工的原理22.2激光加工的特点23.激光加工的应用33.1激光打孔和切割33.2激光焊接33.3激光表面改性技术43.4激光刻蚀、铣削与毛化43.5激光快速成型技术43.6激光标记和艺术品制作54我国激光加工的发展和展望54.1 1990-2000年是我国激光加工产业兴起的10年54.2 2000-2007年我国激光加工产业在腾飞6参考文献8激光加工田雷指导老师 邱兵西南大学工程技术学院2012级机械设计制造及其自动化2班摘要：本文论述了激光加工技术的原理，特点，及其应用，还进一步分析了我国激光加工技术的发展状况和发展趋势。关键词：激光加工激光加工原理激光加工应用1.前言激光是20世纪人类的四大发明之一,具有高亮度性、高方向性、高单色性、高相干性，这些特性是其它普通光源望尘莫及的。现在已经广泛应用于工业、军事、科学研究和日常生活中。激光加工是一门研究激光与材料相互作用的科学技术，属于高新技术领域。现阶段，一方面受相关学科发展带动，另一方面由市场需要拉动。激光加工技术实现了光、机、电技术相结合,是一种先进制造技术,目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。由于它具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、方便实行数控和可以用来进行特殊加工,目前已经广泛应用于汽车、冶金、航空航天、机械、纺织、化工、建筑、造船、仪器仪表、微电子工业、艺术品制作、日常生活用品和工业用品制造等众多领域。用来进行打孔、切割、铣削、焊接、刻蚀、大型零件的强化和修复、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造,工艺美术品制作和清洗、产品标刻和防伪等2.激光加工的原理和特点激光是一种光，它具有一般光的共性（折射、反射、干涉等）。由于激光发射是受激辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、相互关联地产生光发射的，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系，所以激光拥有强度高、单向性好、相干性好和方向性好这些特性。2.1激光加工的原理由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上，再加上其强度高，因此其加工的功率密度可达到1081010W/cm2，温度可达1万摄氏度以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。2.2激光加工的特点激光对被加工对象的材质、形状、尺寸、加工环境的自由度都很大激光的空间控制性(光束的方向变化、旋转、扫描等)和时间控制性(开、关、脉冲间隔)容易控制,特别适合于自动，化加工激光加工系统与计算机数控技术相结合,可构成高效自动加工设备,为优质、高效、低成本的加工开辟了广阔的前景。与传统加工方法比较,激光加工有如下主要特点:(l)加工程序多:在同一台机床上可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加工;既可分步加工,又可在几个工位同时进行加工.(2)适应性强:可加工各种材料,包括高硬度、高熔点、高强度及脆性材料;既可在大气中,又可在真空中进行加工.(3)加工质量好:由于能量密度高和非接触式加工,并可在瞬时内完成,工件热变形极小,且无机械变形,对精密小零件的加工非常有利.例如,金属波纹管及密封继电器采用高频脉冲激光焊接,其气密性可达sxlo一功Torr.1/5,比原工艺提高几个量级.(4)加工精度高:对微型陀螺转子采用激光动平衡技术,其平衡精度可达百分之一或千分之几微米的质量偏心.(5)加工效率高:在某些情况下,用激光切割可提高效率8一20倍;用激光进行深熔焊接时生产效率比传统方法提高30倍用激光微调薄膜电阻,可提高工效1000倍,提高精度l一2个量级.用激光强化电镀,其金属沉积率可提高1000倍.金石拉丝模用机械方法打孔,要花24h,用YAG激光器打孔,只需s2,提高工效43200倍.(6)经济效益高:与其他方法相比,激光.器打孔的直接费用可节省25并一7弓多,间接加工费用可节省50外一75并;与其他切割法相比,用激光切割钢件可降低加工费用.(7)节能和节省材料:激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10一1000倍.激光切割可节省材料巧务一30多.(s)无公害和污染:激光束不会发生像电子束那样的X射线,而且无加工污染。3.激光加工的应用3.1激光打孔和切割由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量(106-8J/cm2),瞬间可使任何固体材料熔化,甚至蒸发,因此,从理论上说可以用激光来加工任何种类的固体材料。事实上,激光一发明,人们首先想到利用它来对宝石这类利用常规加工方法难以加工的材料进行孔加工。目前已经广泛用于各类材料进行孔加工和切割,如利用激光进行木模板的切割和石油管道的激光切缝等。图1为激光在钢板上加工的密排孔,为利用激光在金属上切割的渐开线(光滑无毛刺)3.2激光焊接激光焊接与常规焊接方法相比具有:利用激光的高密度能量,可以对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接,也可以对非金属材料进行焊接(如玻璃的焊接);加热速度快,作用时间短,热影响区小,热变形可以忽略;属于非接触焊接,无机械应力和机械变形;激光焊接装置容易与计算机联机;可以在大气中焊接和无污染等一系列优点,因此,在工业上获得广泛应用。图3和图4分别为激光焊接的锯片和钻头。3.3激光表面改性技术激光表面改性技术包括:激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光表面非晶化与微晶和激光冲击强化等。利用激光表面改性技术可以极大地提高零件表面的机械、物理和化学性质,现在已经广泛应用于工业生产。图6是应用于冶金行业的轧辊激光相变淬火。3.4激光刻蚀、铣削与毛化激光刻蚀在微电子行业可以用于半导体器件和芯片的加工,也可以用于精密光学器件的加工。如用激光刻蚀加工半导体芯片和三维光栅。利用激光的高密度能量,可以对硬脆性难加工材料进行激光铣削加工为利用脉冲激光分别铣削加工的硬质合金和氧化铝陶瓷，利用脉冲激光还可以对轧辊进行毛化,经过毛化的轧辊轧制的汽车簿板具有着油漆牢固的特点。另外,还可以利用激光对钢套等零件进行毛化,可以大大地提高其耐磨寿命。3.5激光快速成型技术自20世纪90年代初美国3DSystems公司开发出世界首台商品化的快速成型系统以来,快速成型技术得到蓬勃发展。快速成型(RapidPrototyoing,简称RP)是通过把材料堆积,快速、精密地制造出实际零件,它体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等学科和技术的综合利用。它不需要借助其它设备和工具迅速和精确地制造出复杂的工模具、模型和工艺品。激光快速成型技术主要有激光层叠法、粉末烧结法、光固化法等。图10是利用层叠法快速制造出出的艺术品,是利用粉末烧结法快速制造出的复杂零件。3.6激光标记和艺术品制作生活用品和生产用品的标记和防伪是不可缺少的,而同时人们对产品的美化和艺术品的要求也越来越高。激光标记和艺术品制作就是利用高密度能量的激光束,会聚在工件表面的对目标进行表面扫描,使材料表面发生物理或化学的变化,导致目标表面的光反射特性的变化,从而获得可见图案。它属于一种非接触的标刻方式。与传统的加工方式(如喷墨打印,电火花加工,机械刀刻等)相比,它具有许多难以比拟的优点。如它采用计算机控制技术,效率高、节奏快;激光刻划精细,可以对各种材料的表面进行标记,并且耐久性非常好;采用激光标刻的防伪效果好等。现在已经广泛用激光来标刻的五金件和键盘,并且利用激光在竹和木头等材料上雕刻制作艺术品。4我国激光加工的发展和展望4.1 1990-2000年是我国激光加工产业兴起的10年受到政府重视，我国于1961年诞生了第一台红科技成果和实际应用成果，并不断受到国家有关部委和地方政府给予的支持。20世纪90年代中期由原国家计委设立了激光加工工程中心，具体任务是将攻关成果转化为中试产品；由原国家科委建立了固体激光加工中心，其重点是推动固体激光在加工中的应用；由原国家经贸委立项,建立了激光加工成套设备产业化基地，其任务是科研院所、高校和企业联合起来，推动激光加工设备的产业化，为企业的技术改造，产品升级换代提供制造设备；同时，还建立了产学研激光加工中心，目的是推动激光加工技术在工业企业应用时作前期工业试验。此外，国家还将“先进制造技术”列为重点发展项目，激光加工作为先进制造技术也列入其中。中央有关部委，地方政府也对激光加工技术进行了多渠道扶持，并列入相应项目进行重点发展。2、从事激光加工产品发展的专业人员增多宝石激光器，比美国仅仅晚了半年。从此，激光器和激光应用技术就一直受到重视。自“六五”计划开始，“七五”、“八五”、“九五”国家科技部（原国家科委）一直把激光列为重点攻关计划，其中激光加工技术与应用是重点。在执行计划过程中,取得了一批有水平的一方面从大专院校、科研机构具有专业知识的中高级技术人员走出大院大所兴办公司，有的单位甚至成批转制为企业。另一方面是企业或相关专业人员参与到设计、开发激光加工设备中来，从事激光加工产品发展的专业人员逐步形成了一支产业队伍。3、成长和壮大了一批激光加工设备的生产企业成长起来的激光加工企业并不是在实验室、小作坊内由几个人装出仅有几台的生产模式，而是呈现出以下重要特点：有规模生产条件；生产出批量定型的产品；完整的产、供、销、维修服务生产体系；较完整的质量管理规章制度，并已取得认证；具有独立法人资格。企业只有具备了这样的特点，才算真正走出实验室，改变了纯粹搞科研和样机的状态，进入到市场环境中，开始产业化的进程。4、企业发展筹资多渠道在发达国家，高技术产业科研、中试与批量生产的投资比例为110100。国内激光加工企业绝大多数都是从各种渠道筹集资金，实现自身的良性循环。据笔者了解，除依靠国家攻关、火炬计划、产学研计划少量启动资金支持外，企业主要是靠银行贷款，社会融资，中外合资和上市融资等措施筹得资金进行扩大再生产。这些企业是靠在中国这个大环境下求生存求发展而茁壮成长起来的。4.2 2000-2007年我国激光加工产业在腾飞2000年至今，在全体业内人士的努力下，激光加工产业化已经迈入了一个新的历史阶段。1.激光加工系统的销售额从增长到跨越式发展。据统计，1990年激光产品的销售额为1200万元，到1999年已达到1.5亿元。从2000年到2002年3年时间，产品销售额便达到10亿元，3年间增加了10倍。如果之后每年都按25%35%的速度递增，预计在2007年末，可以增长到32亿元，这意味着每年都在迈大步前进，可称得上跨越式发展。2.激光加工机产品从量小面窄到量大面广。1990年激光加工机数量仅年产115台，到了1999年达到800台套。这中间经历了3个台阶：1991年到1993年以横流千万级CO2激光器处理大修汽车发动机为主要应用，1994年至1997年以激光打标和CO2激光图章雕刻等带动了发展，1997年至1999年以手机电池激光焊接和小五金、电子元器件机械类零件激光标记为主。2000年后，激光加工机应用面逐步扩大，激光加工技术在包括CO2激光热处理机、激光切割机、金刚石锯片激光焊接机、雕刻机、飞行标刻机、YAG打标机、中小功率YAG激光焊接机、划片机、电阻微调、掩横修正、激光毛化设备、激光熔覆设备、激光裁床等多种工业场合得到了应用。据2006年统计，激光加工机年产量约为15000台，大大超出了1999年的状况。产品中激光打标机和激光切割机得到国外多台订单。4.工业用主力激光器从普通型走向多品种。2000年前加工机用激光器仅有中功率CO2横流和灯泵低功率YAG(铱铝石榴石)激光器。目前510000w横流CO2激光器，14000w轴快流CO2激光器，1001000wDPL（半导体泵浦激光器），百万级绿激光器，35w紫外激光器和千瓦级半导体激光器以及中小功率光纤激光器都有产品。大大丰富了加工机总体对激光源的选择。以上产品可在工业化环境下使用，其关键零部件的国产化率在85%以上，价格比国外产品低，技术指标相当，技术服务及时，为开拓更宽的激光加工应用夯实了基础。三、未来发展前景首先是政府政策引导，带动需求扩大。国务院提出加快“振兴装备制造业”的号召，所提到重点发展领域的重大装备涉及电力、石化、冶金、煤炭、交通、制药、环保、农业、纺织、电子、航空等领域，激光加工技术大有用武之地。政府有关部门在各个层面上支持和鼓励企业提升自主创新能力，为产业跨越发展奠定了基础和社会环境。其次是经过这几年的磨合，产学研工作已形成良性循环，在多数激光加工企业中都有科研院所、院校的力量介入，自主创新开发工作。同时，很多企业人材聚集，海归学者融入，大大增强了高科技产业的技术队伍成分，为下一步产业发展增添了创新人才。第三是激光加工企业已有56家知名品牌，它们成为产业发展的带头羊。其产品都有自己的定位，有区分也有重复，有特色也有竞争。相信在不断扩大的国内市场需求牵引下，